Substrate effects on spin relaxation in two-dimensional Dirac materials with strong spin-orbit coupling

放松(心理学) 联轴节(管道) 散射 材料科学 凝聚态物理 物理 量子力学 心理学 社会心理学 冶金
作者
Junqing Xu,Yuan Ping
出处
期刊:npj computational materials [Springer Nature]
卷期号:9 (1) 被引量:8
标识
DOI:10.1038/s41524-023-00992-y
摘要

Abstract Understanding substrate effects on spin dynamics and relaxation is of key importance for spin-based information technologies. However, the key factors that determine such effects, in particular for materials with strong spin-orbit coupling (SOC), have not been well understood. Here we performed first-principles real-time density-matrix dynamics simulations with SOC and the electron-phonon and electron-impurity scattering for spin lifetimes ( τ s ) of supported/free-standing germanene, a prototypical strong SOC 2D Dirac material. We show that the effects of different substrates on τ s can surprisingly differ by two orders of magnitude. We find that substrate effects on τ s are closely related to substrate-induced modifications of the SOC-field anisotropy, which changes the spin-flip scattering matrix elements. We propose a new electronic quantity, named spin-flip angle θ ↑ ↓ , to characterize spin relaxation through intervalley spin-flip scattering. We find that $${\tau }_{s}^{-1}$$ τ s 1 is approximately proportional to the averaged value of $${\sin }^{2}\left({\theta }^{\uparrow \downarrow }/2\right)$$ sin 2 θ / 2 , which serves as a guiding parameter of controlling spin relaxation.

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